Новосибирские ученые объяснили «всеядность» фермента эндонуклеазы VIII, разобрав его структуру

Ученые Института химической биологии и фундаментальной медицины им. Д.Г. Кнорре СО РАН определили механизм, позволяющий ферменту эндонуклеазе VIII работать с любыми последовательностями ДНК. Это открывает путь к рациональному инжинирингу фермента и его целенаправленного улучшения для решения биотехнологических задач. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в международном журнале DNA Repair.

Современные генно-инженерные методы, прочно вошедшие в медицинскую диагностику и биотехнологию, опираются на использование специальных ферментов, умеющих работать с молекулами нуклеиновых кислот – ДНК-полимераз, которые синтезируют цепочки ДНК, эндонуклеаз, которые их разрезают, и многих других.

Одним из ключевых инструментов в арсенале ученых является белок эндонуклеаза VIII. В природе она помогает производящим ее бактериям защищать их геном от повреждения. Человек адаптировал ее для рутинных молекулярно-биологических операций, без которых не обходится, например, секвенирование фиксированных гистологических образцов для выявления мутаций в раковых опухолях. Также её применяют в сборке сложных генно-инженерных конструкций для продуцентов полезных биологических молекул.

Удобство эндонуклеазы VIII заключается в том, что ее действие не зависит от нуклеотидной последовательности ДНК, в которую она вносит разрыв. Однако до сих пор оставалось загадкой, какие именно особенности молекулы придают ей такую «всеядность».

Чтобы ответить на этот вопрос, сотрудники ИХБФМ СО РАН использовали метод рентгеноструктурного анализа. Им удалось определить строение комплексов эндонуклеазы VIII с ДНК разной последовательности. Для этого исследователям пришлось сначала разработать метод «сшивки» белка с ДНК в больших количествах, необходимых для выращивания биологических кристаллов, а затем съездить в Китай, чтобы получить данные рентгеновской дифракции на Шанхайском источнике синхротронного излучения.

«Когда я закончил построение структуры, был поражён, — комментирует автор исследования Никита Булгаков, научный сотрудник ИХБФМ СО РАН. — Оказалось, что наш белок использует уникальный механизм, чтобы «закрывать глаза» на разные основания ДНК: он просто разворачивает их вокруг своей оси, чтобы не видеть те уникальные места, которыми они отличаются друг от друга. Ни в одном другом ДНК-связывающем белке такой механизм не используется».

«Эти структуры — прекрасный пример того, как можно открыть неожиданные новые фундаментальные вещи в, казалось бы, хорошо изученном инструменте генетических технологий, — говорит руководитель работы академик РАН Дмитрий Олегович Жарков, заведующий лабораторией геномной и белковой инженерии ИХБФМ СО РАН. — Самая большая ценность даже не в новых научных знаниях, опираясь на которые можно улучшить существующие ферменты. Главное — то, что в ходе проекта сложилась сильная команда молодых структурных биологов, которые с нетерпением ожидают запуска источника синхротронного излучения СКИФ в Кольцово под Новосибирском, чтобы решать на нём самые актуальные для науки задачи».

Участие в исследовании также приняли сотрудники Новосибирского государственного университета и Московского физико-технического института.

Изображение: визуализация активного центра эндонуклеазы VIII в комплексе с ДНК с различными основаниями напротив повреждения. Источник: Институт химической биологии и фундаментальной медицины им. Д.Г. Кнорре СО РАН